DE19954227A1

DE19954227A1 - Außenbaustoff für Bauwerke

Info

Publication number: DE19954227A1
Application number: DE19954227A
Authority: DE
Inventors: Johannes Jager; Thomas Ludwig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 1999-11-04
Publication date: 2001-05-31
Also published as: EP1163193B1; DE50004154D1; ATE252522T1; AU2501401A; EP1163193A1; WO2001032582A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Außenbaustoff für Bauwerke mit einem Strukturteil und mit einer für den katalytischen Abbau von Luftschadstoffen aktivierte Außenoberfläche.

Description

Die Erfindung betrifft einen Außenbaustoff für Bauwerke mit einem Strukturteil und mit einer Außenoberfläche. - Der Begriff des Bauwerks bezeichnet Gebäude im weitesten Sinne. Hierunter fallen insbesondere Gebäude für Wohnzwecke sowie für gewerbliche Zwecke, wie Einfamilien häuser, Mehrfamilienhäuser, Firmengebäude, Fabrikhallen u. dgl., aber auch Bauwerke aus dem Bereich des Verkehrswe sens, wie Brücken u. dgl. Ebenfalls umfaßt sind Konstrukte künstlerischer Natur, wie beispielsweise Denkmäler, Skulp turen u. dgl.. Der Begriff des Außenbaustoffs bezeichnet Bauelemente zur Errichtung von Bauwerken, wobei zumindest ein Teil der Oberfläche des Bauelementes eine äußere Sichtfläche des Bauwerks bildet. Der Begriff der Außen baustoffe umfaßt aber neben den Bauelementen auch Außen putze u. dgl., wobei dann die Außenoderfläche erst im Zuge des Auftrages gebildet wird. Mit anderen Worten ausge drückt, ein Außenbaustoff bildet zumindest zum Teil eine äußere Sichtfläche des Bauwerks. Ein Strukturteil eines Außenbaustoffs übt die mechanische und/oder optische Funk tion des Außenbaustoffes aus. Ein Außenbaustoff kann, muß aber nicht notwendigerweise, im Rahmen eines Bauwerks sta tische Funktionen ausüben. Insofern kann ein Außenbaustoff auch rein protektiv und/oder dekorativ eingesetzt sein. Typische Außenbaustoffe sind beispielsweise Bausteine, Ziegel, Betonelemente, Dachelemente, insbesondere Dachpfannen, Verkleidungselemente, Verblendelemente und Putze. Die Außenoberfläche des Außenbaustoffs bildet beim fertigen Bauwerk die äußere Sichtfläche.

Ein besonderes Problem, insbesondere in städtischen Gebi eten, stellt die Immission von Luftschadstoffen dar. In der Umwelttechnik können umweltrelevante Luftschadstoffe unter hohem Einsatz von Technik, Energie und Kosten auf ein erträgliches Niveau reduziert werden. Hierbei sind einerseits Maßnahmen zu nennen, die bereits das Entstehen von Luftschadstoffen minimieren, wie beispielsweise der sogenannte Magermotor, und andererseits Maßnahmen, die in einem bereits entstandenen Abgas den Schadstoffgehalt re duzieren, wie beispielsweise der Kraftfahrzeugkatalysator. Restemissionen müssen dennoch in praktisch allen Fällen hingenommen werden. Diese Restemmissionen können aber dur chaus noch ausreichen, um gesundheitliche Schäden zu ver ursachen. Als besonders relevante Luftschadstoffe sind zu nennen NO_x, VOC (flüchtige organische Verbindungen), Ozon, Schwefeloxide, und CO.

Baustoffe der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt. Nachteilig bei den insofern bekannten Baustoffen ist, daß die Außenoberfläche, also die Außensichtfläche des Bauwerks, lediglich monofunktionell ist in dem Sinne, daß sie lediglich protektiven und/oder dekorativen Zwecken dient.

Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, einen Außenbaustoff anzugeben, welcher multi funktionell ist und neben der dekorativen Funktion auch zu einer Reduzierung der Luftschadstoffe im Bereich des Bauwerkes beiträgt.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung einen Außenbaustoff für Bauwerke mit einem Strukturteil und mit einer für den katalytischen Abbau von Luft schadstoffen aktivierten Außenoberfläche.

Die Erfindung geht zunächst aus von der Erkenntnis, daß an natürlichen und anthropogenen Oberflächen unter Umge bungsbedingungen heterogen katalytische Effekte ablaufen können, und zwar ohne daß hierzu besondere Maßnahmen ein erichtet sind. Die Umsatzraten sind bei den vorliegenden Reaktionsbedingungen (Temperaturen typischerweise von -30°C bis 80°C, Druck ca. 1 bar entsprechend der Wetter lage, gegebenenfalls Sonnenlichteinstrahlung) allerdings außerordentlich gering. Hieran anschließend wurde im Rah men der Erfindung erkannt, daß die Umsatzraten sich unter den genannten Bedinungen durch optimierte Oberfläch engestaltung auf ein solches Maß erheblich steigern las sen, daß eine beachtliche Verbesserung des Mikroklimas, bezogen auf den Luftschadstoffgehalt, im Bereich des Bauwerks erzielt werden kann. Die Optimierung der Ober flächengestaltung kann einerseits durch Erhöhung der spezifischen, der bauwerkaußenseitigen Gasphase ungehin dert zugänglichen Oberfläche und/oder andererseits durch chemische Aktivierung der Oberfläche durchgeführt werden. Schließlich wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, daß bei selbst gegenüber technischen heterogenen katalytischen Prozessen noch geringen Umsatzraten eine beachtliche Re duktion der Luftschadstoffe erhalten werden kann, wenn die gesamte katalytisch wirksame Oberfläche demgegenüber ver gleichsweise groß gestaltet wird, wie im Falle der Ober fläche bzw. Teiloberfläche eines oder gar einer Vielzahl von Bauwerken. Mit anderen Worten ausgedrückt: werden eine größere Vielzahl von Bauwerken mit erfindungsgemäßen Außenbaustoffen gestaltet, so wirken diese Bauwerke gleichsam einem heterogenen Katalysator mit gigantischer Gesamtoberfläche mit der Folge, daß die absolute Um satzrate (nicht bezogen auf die Oberflächeneinheit) groß wird. Die große Gesamtoberfläche entsteht beispielsweise durch Nutzung erfindungsgemäßer Außenbaustoffe für Dach flächen und/oder Fassaden. Ein besonderer Vorteil der Er findung ist, daß der zusätzliche Aufwand bei der Ausstattung von Außenbaustoffen mit für den katalytischen Abbau von Luftschadstoffen aktivierten Außeroberflächen gegenüber den Kosten der Baustoffherstellung praktisch kaum ins Gewicht fällt und so mit erfindungsgemäßen Baustoffen eine Luftreinigung zu äußert wirtschaftlichen Bedingungen erfolgt.

Als katalytisch aktivierte Außenoberfläche im Rahmen der Erfindung wird jede Außenoberfläche eines Außenbaustoffs bezeichnet, deren katalytische Aktivität bei dem Abbau von Luftschadstoffen oberhalb von entsprechenden Außenbaustof fen ohne katalytisch aktivierende Ausstattung liegt. Unter der Annahme einer Umsatzkinetik 1. Ordnung, iterativer Angleichung der Meßwerte nach dem Marquarden-Verfahren an die theoretische Umsatzkurve und einer Normierung der Halbwertszeit der Konzentrationskurve eines gegebenen Schadstoffes ausgehend von einer vorgegebenen An fangskonzentration auf 1 für einen Baustoff ohne kataly tisch aktivierende Ausstattung ("normaler" Baustoff) haben erfindungsgemäße Baustoffe eine relative Halbwertszeit von weniger als 0,8, vorzugsweise weniger als 0,4, höchstvor zugsweise weniger als 0,35.

Eine katalytische Aktivierung einer Außenoberfläche kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die katalytisch aktive Oberfläche, gemessen als Porosität nach BET mit N₂, in einem Bereich von 5 bis 70%, vorzugsweise 15 bis 70%, höchst vorzugsweise von 35 bis 60%, beträgt. Hierbei meint der Begriff der katalytischen Außenoberfläche nicht nur die Topographie der Oberfläche, sondern umfaßt auch die von der äußeren Gasphase durch die Außenoberfläche der Gasdiffusion zugängliche offene Porosität im Volumen des Außenbaustoffs. Bereits diese Maßnahme erhöht die kataly tische Aktivität gegenüber dem unveränderten Außenbaustoff um den Faktor der Vergrößerung der katalytisch aktiven Außenoberfläche. Dies ist bei gebrannten Baustoffen beispielsweise durch Zugabe von im Zuge des Brennens ver dampfenden Zuschlägen zum zu brennenden Ausgangsmaterial möglich. Es ist ebenfalls möglich, durch geeignete Körnung des zu brennenden Materials eine erhöhte Oberflächen rauhheit einzurichten. Analoges gilt sinngemäß für Putze. Schließlich ist es möglich, die Oberfläche an fertigen Bauwerk mittels mechanischer Mittel aufzurauhen. Beispiel sweise Beton weist eine Porosität (gemessen mittels der Hg-Druckmethode, siehe K Wesche, "Baustoffe für tragende Bauteile", Bd. 2, "Beton und Mauerwerk", 1985) von le diglich 1 bis 1,8% auf.

Zusätzlich oder alternativ zu der vorstehenden Erhöhung der katalytisch aktiven Außenoberfläche kann diese mit einem Katalysator aus der Gruppe bestehend aus "TiO₂, ins bes. Rutil und Anatas, vorzugsweise Anatas, γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄, Cr₂O₃, V₂O₅, MnO₂, CoO, Co₃O₄, NiO, Cu₂O, CuO, ZnO, ZrO₂, MoO₃, CdO, La₂O₃, Y₂O₃, NbO₅, TaO₅, WO₂, WO₃, Wolframblauoxid (W₁₈O₄₉, W₂₀O₅₈), SnO, SnO₂, α-Al₂O₃, Mischoxide der vorste henden Verbindungen, Edelmetall-Intercalationsverbindungen (z. B. auf Basis Au, Pt, Pd, Rh), Aktivkohle, Aktivkoks, Zeolithe und Mischungen der vorstehenden Substanzen" ausgestattet sein. Durch geeignete Auswahl des Katalysa tormaterials läßt sich die katalytische Aktivität unter den gegebenen Bedingungen und gegebenenfalls unter Abstim mung auf bestimmte Luftschadstoffe optimieren. Es versteht sich, daß der Katalysator in einer solchen Weise in oder auf den Außenbaustoff angebracht wird, daß die katalytisch aktiven Oberflächenzentren erhalten bleiben. Grundsätzlich ist es wünschenswert, daß der Katalysator an der Ober fläche immobilisiert ist, i. e. nicht durch Regenwasser und übliche mechanische Einwirkungen abgelöst werden kann. Dies gilt insbesondere bei potentiell toxischen Stoffen. Vorzugsweise werden Katalysatoren verwendet, welche in toxischer Hinsicht unbedenklich sind, wie beispielsweise TiO₂ und/oder Eisenoxide.

Ein erfindungsgemäßer Außenbaustoff ist beispielsweise dadurch erhältlich, daß das Strukturteil aus Strukturmate rial hergestellt wird und anschließend eine Katalysator zubereitung aufgetragen und gegebenenfalls eingebrannt wird. Im Rahmen der Erfindung kann auch ein bereits er richtetes Bauwerk außenseitig zumindest teilweise mit einer Katalysatorzubereitung behandelt werden, ggf. mit üblichen Fixierungs und/oder Trocknungsverfahrensstufen. Vorteilhaft hierbei ist, daß bei der Herstellung des Außenbaustoffs bzw. Bauwerks die üblichen Herstellungspro zesse beigehalten werden können und die Ausstattung mit der katalytisch aktivierten Oberfläche in einem anschließenden zusätzlichen Verfahrensschritt erfolgt. Dabei kann dieser zusätzliche Verfahrensschritt unmittel bar nach der Herstellung des Außenbaustoffs und vor dem Verbauen in dem Bauwerk erfolgen oder nach Errichtung des Bauwerks gleichsam als Abschlußanstrich. Die letztgenannte Variante eignet sich selbstverständlich nur für Katalysatorzubereitungen, welche keine Einbrennver fahrensstufe benötigen.

Als Katalysatorzubereitung sind feste oder flüssige Mischungen bezeichnet, welche die katalytisch aktive Sub stanz in Reinform, in Festkörpermischung, in Lösung oder in Suspension enthalten, und zwar als fertigen Katalysator oder als Katalysatorvorstufe, welche sich (beispielsweise im Zuge einer Brennverfahrensstufe) in den fertigen Kata lysator umwandelt bzw. hierzu abreagiert. Für letzteres sei als Beispiel eine Titansäureesterlösung genannt, welche nach dem Aufbringen der mit Luftsauerstoff zu einer feinen Titanoxid-Schicht abreagiert. Im Falle von Lösungen oder Suspensionen ist die flüssige Phase vorzugsweise wäßrig, höchstvorzugsweise frei von organischen Lösungs mitteln. Es möglich, daß eine solche Mischung bzw. Lösung sogenannte Promotoren enthält, welche die Katalysator wirkung verstärken. Beispiele für im Rahmen der Erfindung geeignete Promotoren sind K₂O, CaO, MgO, α-Al₂O₃ und SiO₂. Weiterhin können die Mischungen bzw. Lösungen auch Sub stratmaterialien enthalten, welche als oberflächenreiche bzw. -vergrößernde Trägersubstanz wirken und welche eine Sinterung und damit eine Verkleinerung der Oberfläche ver hindern oder reduzieren. Je nach Ausführungsform kann das Substratmaterial auch selbst das katalytische aktive Mate rial sein. Ein typisches Beispiel hierfür ist Aluminiumoxid.

Die Erfindung lehrt auch ein Verfahren zur Reduktion von Luftschadstoffen, wobei ein Bauwerk unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Außenbaustoffs erstellt wird und wobei die Luftschadstoffe an der katalytisch aktiven Außenfläche des Außenbaustoffs gegebenenfalls unter Aktivierung durch Sonnenlicht abgebaut werden. Schließlich lehrt die Er findung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Außen baustoffs zur Herstellung eines luftschadstoffabbauenden Bauwerks sowie ein Bauwerk mit einer zum katalytischen Abbau von Luftschadstoffen aktivierten Außenoberfläche.

Mit erfindungsgemäßen Außenbaustoffen lassen sich insbe sondere NO_x vermindern. Die hierbei an der katalytisch ak tivierten Oberfläche stattfindenden Reaktionen sind folgend wiedergegeben.

C_mH_n + (m + n/4)O₂ = mCO₂ + n/2H₂O (1)

2CO + O₂ = 2CO₂ (2)

2H₂ + O₂ = 2H₂O (3)

2CO + 2NO = N₂ + 2CO₂ (4)

C_mH_n + 2(m + n/4)NO = (m + n/4)N₂ + n/2H₂O + mCO₂ (5)

2H₂ + 2NO = N₂ + 2H₂O (6)

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ (7)

5H₂ + 2NO = 2NH₃ + 2H₂O (8)

SO₂ + 3H₂ = H₂S + 2H₂O (9)

NH₃ + CH₄ = HCN + 3H₂ (10)

CO + H₂O = CO₂ + H₂ (11)

C_mH_n + 2mH₂O = mCO₂ + (2m + n/2)H₂ (12)

Hierbei stellen die Reaktionen 7 bis 10 Nebenreaktionen dar. Im Rahmen der Erfindung lassen sich aber auch Ozon- und Kohlenwasserstoff-Immissionen reduzieren. Weiterhin ist es möglich, daß die katalytisch aktivierte Oberfläche gleich mehrere Luftschadstoffe abbaut (multifunktioneller Katalysator). So kann der Abbau von NO_x z. B. chemisch der art erfolgen, daß die in der Luft enthaltenen Schadstoffe CO und VOC als Reduktionsmittel dienen. Die diesbezügli chen Reaktionen sind:

2NO_x + nCO = N₂ + nCO₂ (13)

2NO_x + C_xH_y = N₂ + CO₂ + H₂O (14)

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Aus führungsbeispiele darstellenden Ausführungsformen näher erläutert.

Beispiel 1 Versuchsapparatur

Für die Versuchsdurchführung wurde ein gasdichter Reaktor mit einem Gesamtvolumen von 0,32 m³ entwickelt. Dieser Reaktor umfaßt im wesentlichen ein Reaktorbehältnis, welches einen Außenbaustoff aufnehmen mit einem Luft schadstoff, beispielsweise NO_x, begast werden kann. Hieran angeschlossen ist ein Kühlkreislauf, welcher das im Reak tor enthaltende Gas auf konstant 30° hält. Mit einer Tag eslichtlampe kann ein im Reaktorbehältnis angeordneter Außenbaustoff angestrahlt werden. Die auf dem untersuchten Baustoff ankommende Beleuchtungsstärke betrug etwa 25000 lx (Lux), ein Wert der noch um ca. 75% unter der Beleuch tungsstärke natürlichen Sonnenlichts im Sommer liegt. In der Praxis werden daher gegenüber der Versuchsdurchführung erheblich verbesserte Werte erwartet. NO_x-Messungen wurden mit Hilfe eines Chemolumineszenzdetektors durchgeführt. Referenzmessungen wurden durchgeführt mit leerem Reaktorbehältnis (mit/ohne Licht: Hell- und Dunkelmessung) sowie mit unbeschichteten Außenbaustoffen.

Beispiel 2 NOx-Abbau an Dachsteinen mit katalytisch ak tivierter Oberfläche

Dachsteine wurden mit aus Rauchgasreinigungssystemen bekannten Katalysatoren durch Beschichtung aktiviert. Beschichtet wurden Dachsteine der Firma Braas Dachsysteme GmbH & Co., Modell "Frankfurter Pfanne" (rot). Die Beschichtung der Dachsteine erfolgte durch Aufstreichen einer wässrigen Katalysator-Suspension, durch Aufstreichen entsprechender Metallhydroxide und anschließendem Glühen des Dachsteins bzw. durch Aufstreichen der entsprechenden Amoniummetallate und anschließendem Glühen. Die verwende ten Katalysatoren waren im einzelnen: Fe₂O₃/Cr₂O₃, (50 : 50, bezogen auf die Gewichte), V₂O₅, WO₃ und TiO₂.

Die Ergebnisse werden anhand der folgenden Figuren im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Eine Messung im leeren Reaktor ohne Licht (Dunkelmessung),

Fig. 2: Eine Messung im leeren Reaktor mit Licht (Hellmes sung) und

Fig. 3: NO_x-Abbau an katalytisch aktivierten Dachsteinen (Hellmessung).

In der Fig. 1 erkennt man einen langsamen Abbau der NO_x- Konzentration. Deutlich zu erkennen ist, daß die Komponente NO₂ abgebaut wird und damit die eigentliche NOx- Minderung bewirkt. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit bisherigen Untersuchungen.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 wurde die Tageslichtlampe anschließend an eine 70-minütige Dunkelmessung eingeschal tet. Man erkennt den Einsatz der Reaktionen mit dem jeweiligen zweiten Meßpunkt. Man sieht, daß bei der Anwe senheit von Tageslicht der NO_x-Abbau beschleunigt wird. Auch hier wird nur die Komponente NO₂ abgebaut. Weiterhin aktiviert offenbar das Tageslicht die Oxidation von NO zu NO₂, was deutlich am Abbau von NO und gleichzeitigem An stieg von NO₂ zu erkennen ist.

In der Fig. 3 sind die Ergebnisse der Messungen mit ver schiedenen beschichteten Dachsteinen im Vergleich zu einem unbeschichteten Dachstein dargestellt. Die dargestellte Zeitachse überdeckt einen Zeitrum von t = 0 bis t = 500 min.. Die dargestellte Ordinate überdeckt Konzentrationen von 0 ppm bis 9 ppm. Katalysator 1 steht für: Fe₂O₃/Cr₂O₃ (50 : 50, bezogen auf die Gewichte). Katalysator 2 steht für: V₂O₅. Katalysator 3 steht für: WO₃. Katalysator 4 steht für: TiO₂. Man erkennt in allen Fällen, daß die Abbaukurven beschichteter Dachsteine deutlich unterhalb jener des un beschichteten Dachsteins verlaufen. Dies bedeutet, daß die Umsatzraten deutlich erhöht sind. Die erhaltenen Meßpunkte des NO_x-Abbaus lassen sich hierbei gut an eine Reak tionsgleichung erster Ordnung mit Hilfe des Marquardsen- Verfahren iterativ angleichen. Aus den erhaltenen Geschwin digkeitskoeffizienten wurden die Halbwertszeiten des NO_x-Abbaus bestimmt und miteinander verglichen. Bezogen auf den unbeschichteten Dachstein (= 1) ergeben sich die fol genden Werte: Für den Katalysator 1 0,60, für den Katalysator 2 0,36, für den Katalysator 3 0,32 und für den Katalysator 4 0,34.

Claims

1. Außenbaustoff für Bauwerke mit einem Strukturteil und mit einer für den katalytischen Abbau von Luft schadstoffen aktivierten Außenoberfläche.

2. Außenbaustoff nach Anspruch 1, wobei die katalytisch aktive Oberfläche, gemessen als Porosität nach BET mit N₂, in einem Bereich von 5 bis 70%, vorzugsweise 15 bis 70%, höchst vorzugsweise von 35 bis 60%, beträgt.

3. Außenbaustoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei die kataly tisch aktive Außenoberfläche einen Katalysator aus der Gruppe bestehend aus "TiO₂, insbes. Rutil und Anatas, vorzugsweise Anatas, γ-Fe₂C₃, Fe₃O₄, Cr₂O₃, V₂O₅, MnO₂, CoO, Co₃O₄, NiO, Cu₂O, CuO, ZnO, ZrO₂, MoO₃, CdO, La₂O₃, Y₂O₃, NbO₅, TaO₅, WO₂, WO₃, Wolframblauoxid (W₁₈O₄₉, W₂₀O₅₈), SnO, SnO₂, α-Al₂O₃, Mischoxide der vorstehenden Verbindungen, Edelmetall-Intercalationsverbindungen (z. B. auf Basis Au, Pt, Pd, Rh), Aktivkohle, Aktivkoks, Zeolithe und Mischungen der vorstehenden Substanzen" enthält.

4. Außenbaustoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Außenbaustoff erhältlich ist durch Herstellung eines Strukturteils aus Strukturmaterial, anschließen dem Auftrag einer Katalysatorzubereitung und gegebenen falls abschließender Einbrennstufe.

5. Außenbaustoffe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Außenbaustoff erhältlich ist durch Herstellung einer Mischung von Strukturmaterial mit einer Katalysa torzubereitung und anschließender Herstellung des Außenbaustoffs aus der erhaltenen Mischung.

6. Verfahren zur Reduktion von Luftschadstoffen, wobei ein Bauwerk unter Verwendung eines Außenbaustoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 5 erstellt wird und wobei die Luftschadstoffe an der katalytisch aktiven Außenfläche des Außenbaustoffs, gegebenenfalls unter Aktivierung durch Sonnenlicht, abgebaut werden.

7. Verwendung eines Außenbaustoffs nach einem der An sprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines luftschadstoffab bauenden Bauwerks.

8. Bauwerk mit einer für den katalytischen Abbau von Luft schadstoffen aktivierten Außenoberfläche.